Идентификация модели системы вентиляции птичника Big Datchman как объекта управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

Идентификация модели системы вентиляции птичника Big Datchman как объекта управления



Введение

В данной курсовой работе мы будем разрабатывать систему автоматического регулирования простейшей структуры и САР повышенной динамической точности.

Целью разработки САР является получение переходных характеристик, которые соответствовали бы предельно-допустимым требованиям показателей качества системы, а для этого необходимо сформировать такое управляющее воздействие, которое обеспечивало бы инвариантность контуров регулирования объекта.

В нашем случае, объект управления - вентиляция птичника.

Вентиляция является наиболее важным фактором контроля над окружающей средой в птичнике. Вентиляция влияет на качество воздуха, температуру и относительную влажность. Без эффективной вентиляции, кормоконверсия, привесы и состояние птицы будут ухудшаться, что сопровождается увеличением количества птицы, требующей выбраковки.



1. Выделение объекта управления из среды

1.1 Общий анализ технологического процесса, реализуемого агрегатом, целей и условий его ведения

Составление схемы и описание сущности технологического процесса, реализуемого технологическим агрегатом, как целенаправленного преобразования материальных и энергетических потоков.

Для создания эффективной системы низкого давления, необходимо обеспечить контролируемый микроклимат, который включает контроль потоков воздуха, в том числе устранения не контролируемой утечки воздуха. Особенно это важно в период брудерного отопления, при котором сквозняки на уровне пола, могли пагубно сказаться на цыплятах. В следствии этого воздух должен поступать в птичник при таком пониженном давлении, который позволит входящему воздуху сначало устремиться под гребень крыши, прежде чем поток станет ниспадающим. Это является функцией сечения воздухозаборника, совмещенной с производительностью вентилятора при практическом снижении рабочего давления. Общая площадь воздухозабоника должна быть рассчитана на обеспечение необходимой величины понижения давления, что также зависит от ширины птичника. Требуемой давление воздуха достигается за счёт совмещения мощности воздухообменника и вентилятора. Воздухозабор должен быть под управлением давления для поддержания постоянной скорости движения воздуха на всех стадиях вентиляции. Также штора должна быть оборудовано уплотнителем, для герметичности.



Рис. 1 - Общая схема вентиляции птичника

Естественная вентиляция

Целесообразность применения естественной вентиляции, являются её применение в регионах с относительной влажностью близким к необходимым параметрам в птичнике.

Туннельная вентиляция

Также для более эффективного поддержания микроклимата в птичнике, используется туннельная вентиляция. Она сводит к минимуму влияние колебания температуры в период жаркой погоды. В системе туннельной вентиляции, все вентиляторы размещаются в одном торце птичника, а все воздухозаборники в противоположном торце. Воздух поступает со скоростью 2,4 м/сек, по всей длине птичника, при этом забирая влагу, жаркий воздух и пыль. Воздушный поток создает эффект охлаждения ветром, что позволяет снизить температуру на 5-7. Эффективная температура в птичнике не должна превышать 30. При этом полный воздухообмен происходить за 0,75-1,3 минуты.

Описание конструкции технологического агрегата, его электропривода и особенностей эксплуатации.

Для строительства птичника для бройлеров необходимо выбрать участок земли с хорошим дренажём обильной естественной вентиляции. Размещать птичник вдоль оси «восток-запад», для уменьшения воздействия солнечных лучей на боковые стены в период жаркого времени.

Требования к строительству:

· Навесы на крыше, необходимы для затенения по боковым сторонам птичника.

· Материал, из которого сделана крыша, должен быть из отражающих материалов, для снижения теплопроводности. Кроющий материал, должен иметь нижний слой изоляции.

· Изоляция должна быть не менее 10 см. из стекловаты или другого материала с аналогичными свойствами.

· Системы отопления должна обладать достаточной мощностью с учетом особенности местного климата.

· Системы вентиляции должны иметь конструкцию, обеспечивающую подачу достаточного объёма воздуха и поддержанием оптимальной температуры.

· Освещение должно быть таким, что бы обеспечить равномерное распределение света на уровне поля.

К этой технологии выращивания существует также ряд жестких требований:

1. Требования к оборудованию.

· Системы поения

· Системы кормления

· Системы отопления

· Системы вентиляции

2. Требования к среде содержания птицы.

· Освещение

· Вентиляция

· Подстилка

3. Требования к выращиванию птицы

· Плотность посадки и содержания

· Брудерный период

· Основной период выращивания

· Завершающая фаза откорма

Вентиляция является наиболее важным фактором контроля над окружающей средой в птичнике. Вентиляция влияет на качество воздуха, температуру и относительную влажность. Без эффективной вентиляции, кормоконверсия, привесы и состояние птицы будут ухудшаться, что сопровождается увеличением количества птицы, требующей выбраковки. К тому же, слабая вентиляция потребует внесения изменения в параметры плотности посадки птицы.

Система вентиляции должна:

· Обеспечивать подачу воздуха в любой момент времени, покрыть потребность птицы в кислороде.

· Равномерно распределять свежий воздух, не создавать сквозняков.

· Поддерживать эффективную температуру.

· Выводить выделяемую влагу.

· Удалять резкопахнущие и побочные газы.

Качество воздуха оценивается на основе объёма подачи, присутствия аммиака, двуокиси углерода, окиси углерода и уровня относительной влажности.

Рекомендации по качеству воздуха
Кислород	19,6%
Двуокись углерода	0,3%
Окись углерода	10 частей на млн
Аммиак	10 частей на млн
Относительная влажность	45-65%
Запыленность	3.4 мг/



Минимум вентиляции должен быть увеличен, если эти параметры не достигнуты.

Если этого не сделать, то возникнут проблемы с поддержанием микроклимата в птичнике, что в свою очередь приведет к проблемам с кормление и поением птицы, стрессами и потерей в весе.

Формулирование условий, при которых возможно и целесообразно реализовывать рассматриваемый технологический процесс.

Температурный диапазон оптимальной продуктивности



* Вентиляция является самым важным инструментом в технологии выращивания с точки зрения обеспечения максимальной

продуктивности.

* На каждой стадии развития птицы существует температурная зона максимальной продуктивности, при которой птица

использует максимальный объем энергии для роста.

* Оптимальная температура для обеспечения максимальных бройлерных показателей меняется ежедневно, и вентиляция

должна регулироваться в соответствии с этим.

* Условия в птичнике должны быть равномерными: участки с застоявшимся воздухом, сквозняки, зоны низкой или высокой температур могут снижать общую продуктивность

1.2 Конкретизация регламентов и условий ведения процесса, его формализованное представление

управление преобразование координатный модель

Выявление нормативов ведения технологического процесса и работы технологического агрегата.

Основу нормативов составляют три основных регламента:

a) Технологический регламент - определяет условия, при которых в результате технологического процесса получается продукт с заданными свойствами. В нашем случае продуктом является зерно, а параметр, описывающий свойства данного продукта это:

§ Р-разряжение в птичнике;

b) Эксплуатационный регламент - определяет условия нормальной безаварийной работы технологического оборудования. Он представляет собой набор номинальных значений и допусков на отклонения эксплуатационных параметров этого технологического оборудования. В нашем случае - это параметры:

§ І_н - ток потребляемый электродвигателем, А;

c) Технико-экономический регламент - определяет условия эффективности ведения вентиляции и ее экологичности. Он представляет собой набор номинальных или предельно-допустимых значений технико-экономических и экологических параметров. В нашем случае - это параметр

§ Э_уд - удельный расход электроэнергии, кВт/ч.

Анализ последствий выхода технологических и эксплуатационных параметров за регламентные допуски

Отклонение параметров технологического процесса от регламентных значений, вызываемые изменением параметров, характеризующих условия введения процесса даже при достаточно эффективном управлении процессом, могут превышать установленные допуски. В случае управления вентеляции, выход регулируемых параметров за регламентные допуски приводит к тяжелым последствиям, технологический процесс прекращается полностью или частично, для его возобновления часто необходима подготовка оборудования к повторному запуску. Анализ нормативов ведения технологического процесса и эксплуатации оборудования закончим составлением таблицы регламентов (см. табл. 2).

Таблица 2 - Таблица регламентов

Наименование параметров	Обозначе-ние	Единица измерения	Номинальное значение параметра	Допустимые отклонения от номинала
				Длительные (t>?)	Кратковременные (0<t<<?)
				величина	величина	Время, с
Разряжение в птичнике	Р	Па	6	±0,1	±0,5	5

Выявление параметров, характеризующих условия ведения технологического процесса и эксплуатации технологического агрегата.

Условия, в которых ведется технологический процесс, характеризуются определенными параметрами, которые могут изменяться с течением времени и влиять на изменение выходных нормативных параметров, выводя их за пределы допусков. Для удобства сгруппируем такие параметры по некоторым признакам:

Технологический регламент - определяет условия, при которых в результате технологического процесса получается продукт с заданными свойствами. Он представляет собой набор номинальных значений и допусков на отклонения от номинала технологических параметров.

Технологические регламент:

- температура внутри птичник, согласно технологии.

- относительная влажность воздуха, согласно технологии.

- объем воздуха в птичнике на одну голову.

- разряжение в птичнике.

Эксплуатационный регламент - определяет условия нормальной, безаварийной работы технологического оборудования. Он представляет собой набор номинальных значений и допусков на отклонения эксплуатационных параметров этого ТО.

Эксплуатационные параметры:

- освещение в птичнике.

- состав воздуха в птичнике.

Технико-Экономический и экологический регламент - определяет условия эффективности ведения процесса и его экологичности. Он представляет собой набор номинальных или предельно-допустимых значений технико-экономических и экологических параметров.

Технико-экономические параметры:

- затраты энергии на выращивание одного бройлера

1.2.4. Формализация параметризованной схемы технологического процесса и получение его параметрической схемы.

Параметризованная схема ТП имеет содержательный характер. Формализация описания взаимосвязей между параметрами ТП достигается за счет перехода к формализованной параметрической схеме ТП. При этом те параметры, которые отражают цели функционирования объекта моделирования и дополнительные требования к нему, т.е. те параметры, которые регламентированы, будут являться выходными, а параметры, отражающие условия функционирования объекта - входные.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 - Параметрическая схема технологического процесса

Конкретизация целей и задач управления объектом, выявление регулируемых и оптимизируемых переменных (координат).

Целью ведения технологического процесса является обеспечение оптимальных параметров работы электродвигателя.

Параметры:

§ P - разряжение в птичнике

Выбор управляющих переменных (координат) объекта управления.

Необходимым условием решения задач управления является наличие управляющих воздействий, которые, естественно, должны быть входными переменными (координатами) ОУ.

В качестве управляющих переменных (координат), т.е. переменных, изменяя которые целенаправленно, мы сможем влиять на изменение регулируемых переменных, изменяя расходы материальных энергетических потоков, учитывая конструктивные особенности агрегата, выбираем:

U - управляющее воздействие частотного преобразователя, % х.р.о

Выделение и классификация возмущающих переменных (координат) объекта управления.

После выделения управляющих воздействий, все остальные входные переменные отнесем к разряду возмущений. При этом все возмущения формально объединим в группы неконтролируемых возмущений (по числу управляющих воздействий), они имеют общие (контролируемые) последствия - заставляют изменяться управляемые переменные, и будем считать их действующими аддитивно управляемым переменным.

Выделять контролируемые возмущения в нашем случае не целесообразно т.к. они усложняют математическую модель, а также изменяются медленно их изменение не существенно, а также не сильно влияет на технологический процесс.

Составление структурной (координатной) схемы объекта регулирования.

Структурная (координатная) схема объекта управления является очередным и последним этапом формализации представления ТП как ОУ. При переходе к такой схеме, осуществляется переход к использованию другого понятийного аппарата, общего с ТАУ. Понятие «параметр» заменяется на понятие «переменная (координата)».

Составление структурной (координатной) схемы объекта регулирования.

Структурная (координатная) схема объекта управления является очередным и последним этапом формализации представления ТП как ОУ. При переходе к такой схеме, осуществляется переход к использованию другого понятийного аппарата, общего с ТАУ. Понятие «параметр» заменяется на понятие «переменная (координата)».



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5 - Структурная (координатная) схема ОР.



2. Идентификация моделей каналов преобразования координатных воздействий объекта управления

2.1 Априорный анализ статических и динамических свойств объекта управления

Априорный анализ и выбор структуры моделей динамических свойств каналов управления и контролируемых возмущений на основе знания физических закономерностей технологического процесса.

Осуществив анализ физической сущности процессов, были сделаны выводы следующего характера:

Регулирование значения разряжения воздуха внутри помещения.

Переходной процесс является статическим, так как это определяет граница отношения скорости вращения вентиляторов к процентам хода РО (открытия боковых приточных задвижек). Также он имеет нестационарные свойства, так как физически невозможно реализовать постоянство разряжения ввиду влияния различных параметров и особенностей конструкции помещения (протечки потоков наружного воздуха, обусловленные щелями в перекрытиях основных конструкций здания). Однако за время переходного процесса в системе стабилизации, параметры объекта управления изменяются не значительно и поэтому можно принять гипотезу о квазистационарности.

Априорный анализ и принятие решения о допустимости линеаризации статических свойств каналов управления.

Исходя из того, что диапазоны изменения переменных функций, в статических характеристиках каналов объекта управления, ограничены, а также то что эти функции являются гладкими (без разрывов) и монотонными (возрастающими или убывающими), можно сделать вывод о допустимости линеаризации статических свойств каналов управления.



2.2 Идентификация линеаризованных моделей динамики каналов управления объекта регулирования в окрестности его рабочих режимов

Краткий сравнительный анализ и выбор целесообразных входных воздействий для экспериментального исследования с целью получения необходимой информации о свойствах каналов объекта для случая, когда входные переменные каналов доступны для целенаправленного изменения.

В качестве входных воздействий будут выбраны управляющие воздействия, так как именно они имеют наибольшее влияние на регулируемые переменные. Для упрощения организации проведения эксперимента и минимизации затрат времени на проведение эксперимента и обработку полученных результатов будут использованы ступенчатые воздействия.

Эксперимент будем проводить таким образом, чтоб все переходные процессы находились в пределах регламентных зон ведения ТП. Входные воздействия должны быть такими, чтоб реакция системы на них была заметной на фоне помех и возмущений.

Планирование активного эксперимента на объекте для выбранных входных воздействий и получение реакций на них в ходе натурного и (или) мысленного эксперимента.

План проведения активного эксперимента на объекте:

ь Изменением управляющего воздействия U, выведем объект в зону рабочего режима (добьемся таких значений управляемых переменных, которые находились бы в окрестности их номинальных значений): Р=6 Па, и дождемся наступления установившихся режимов.

ь Осуществим ступенчатые воздействия на объект путем приращения U, на 5 единиц (при этом Р будет находиться в допустимом диапазоне)

ь Зарегистрируем изменения выходных переменных до наступления новых установившихся режимов.

Ниже приведем экспериментальные переходные характеристики объекта управления.

U

t, с

Рис. 6 - Переходная характеристика входного воздействия

Р, Па

t, с

Рис. 7 - Переходная характеристика объекта полученная в результате мысленного эксперимента

Анализ полученной в ходе эксперимента информации, обоснование и выбор структуры моделей каналов (структурная идентификация моделей).

Смысл структурной идентификации состоит в выборе вида модели по виду графика переходного процесса, полученного в ходе активного эксперимента. Исходя из результатов проведенных активных экспериментов, можно сделать следующие выводы:

- каналы ОУ имеют ярко выраженные статические свойства.

- каналы ОУ имеют запаздывание, что обусловлено особенностями конструкции ОУ, в частности, его геометрическими размерами.

Передаточная функция ОУ по каналам регулирования будет иметь следующий вид.

Модель 1-го порядка:

Поскольку модель первого порядка не идеально отображает наш переходный процесс, а в большей степени служит для определения параметров объекта по инженерным методикам. Мы также будем использовать модель 2-го порядка:

Выбор методик и проведение параметрической идентификации моделей первого и второго порядков.

Есть много методик для определения временных параметров модели. Для параметрической идентификации моделей каналов объекта управления первого и второго порядков будем использовать методику «2-х общих точек» (Мининой).

Расчет параметров для каналов ОУ со статическими свойствами:



1) Методика «2-х общих точек» (Мининой), модели 1-го порядка:

t_0.33=1.6 c

t_0.7=2.2 c

2) Методика «2-х общих точек» (Мининой), модели 2-го порядка:

t_0.19=1.2 c

t_0.7=2.2c

=•-0.7p2

2.3 Идентификация линеаризованных моделей динамики каналов контролируемых координатных возмущений

Выбор и описание метода экспериментальных исследований с целью получения необходимой информации о каналах объекта для случая, когда входные переменные каналов недоступны для целенаправленного изменения.

Наиболее распространенный случай вынужденного применения статических методов - идентификация моделей каналов ОУ, для которых входные переменные недоступны для целенаправленного изменения. Информация для реализации методов собирается в ходе пассивного эксперимента, когда на достаточно длительных интервалах времени синхронно фиксируются во времени существенные изменения входных и выходных переменных каналов ОУ.



3. Реализация моделей на цвм и подтверждение их адекватности

3.1 Реализация на ЦВМ моделей каналов преобразования воздействий и подтверждение их адекватности

Разработка структурных схем и программ моделирования динамики каналов преобразования воздействий, получение переходных характеристик моделей и их сравнение с экспериментальными переходными характеристиками либо их оценками.

Моделирование моделей каналов объекта управления будем производить совместно с моделированием экспериментальных переходных характеристик, с целью их сравнения, будем проводить по следующей схеме:

Рис. 8 - Схема моделирования моделей каналов объекта управления



Р

t, с

Рис. 9 - Переходные характеристики:

1- Экспериментальная;

2- Модели 1-го порядка методика «2-х общих точек» (Мининой);

3- Модели 2-го порядка методика «2-х общих точек» (Мининой).

По полученным характеристикам можно сделать вывод, что реализованная на ЦВМ модель непрерывного весового дозирования являются адекватной, т.к. совпадают с характеристикой полученной экспериментально.



3.2 Реализация на ЦВМ полной модели объекта управления и подтверждение ее адекватности

Рис. 10 - Схема полной модели объекта управления

Рис. 12 - Переходные характеристики объекта управления:

1- Экспериментальная;

2- Модель объекта управления

Проведя предварительный сравнительный анализ экспериментальных переходных характеристик каналов объекта управления и моделей каналов, визуально, можно установить их схожесть и сделать вывод об адекватности моделей объекту управления. Окончательно сделать выводы об адекватности моделей можно после применения их на практике.

4. Формулирование задач управления, требований к их решению и выбор основных принципов построения автоматических систем

4.1 Формулирование задач управления технологическим агрегатом

Декомпозиция общей задачи управления агрегатом и формулирование частных задач.

Общая задача управления заключается в обеспечении желаемых характеристик объекта функционирования, в нашем случае вентилятор. Из общей задачи управления можно выделить частные задачи:

а) поддержание выходного переменного объекта управления Р, на его заданном значении, а именно Р=6,1 Па - это задача регулирования;

б) приспособление в процессе управления системой к её изменяющимся свойствам - это задача адаптации;

в) обеспечение наилучших в определённом смысле режимов работы системы - это задача оптимизации;

г) изменение общего состояния оборудования при пусках, остановах, в частности, при возникновении аварийных ситуаций - логическое управление.

Обоснование необходимости и целесообразности (для рассматриваемой ситуации) автоматизации каждой из частных задач управления.

Современные системы вентиляции представляют собой высокотехнологичные комплексы различного уровня сложности - от простых приточных установок до сложных распределительных систем, осуществляющих постоянный контроль и управление основными параметрами воздуха, поступающего в вентилируемые помещения.

Для обеспечения надежной работы таких систем при минимальном участии в этом процессе человека и предназначена автоматизация вентиляции.

Такая автоматика обеспечивает:

· бесперебойную работу системы вентиляции в автоматическом режиме,

· контроль и поддержание необходимой температуры и влажности приточного воздуха,

· обеспечение защиты оборудования в аварийных ситуациях,

· существенное снижение энергопотребления и трудозатрат при эксплуатации вентиляционных систем.

В простых вентиляционных системах автоматизация может осуществляться при помощи специальных блоков автоматики (щитов управления). Такой щит управления обеспечивает функционирование вентиляционного оборудования системы в заранее запрограммированном автоматическом режиме.

В более сложных распределительных системах вентиляции применяются модули дистанционного сбора данных о параметрах работы системы, передающих их на программируемые контроллеры управления, которые осуществляют общее управление системой на основе поступивших данных.

4.2 Формализация требований к решению задачи регулирования и выбор принципа построения системы автоматического регулирования

Формализация требований к предельно-допустимым статическим и динамическим отклонениям регулируемых переменных от соответствующих заданных значений в переходных и динамически установившихся процессах и представление их в форме регламентных зон регулируемых переменных.

Исходя из требований технологии процесса и эксплуатации технологических машин, могут быть заданы определенные требования к отклонениям (ошибкам) регулируемых переменных:

1. К предельно-допустимым динамическим отклонениям ;

2. К отклонениям, которыми можно пренебречь, т.е. ЗНО (зона незначемых отклонений);

3. К времени существования допустимых динамических отклонений за пределами ЗНО t_{пп доп}.

Отразив эти предельные условия графически, можно задать регламентную зону переходного процесса.

Для рассматриваемого нами ТП вышеописанные требования можем представить в табл. 3, полученной в предыдущих разделах:

Таблица 2 - Таблица регламентов

Наименование параметров	Обозначе-ние	Единица измерения	Номинальное значение параметра	Допустимые отклонения от номинала
				Длительные (t>?)	Кратковременные (0<t<<?)
				величина	величина	Время, с
Разряжение в птичнике	Р	Па	6	±0,1	±0,5	5

Рис. 13 - Регламентная зона переходного процесса

Формализация интегральных требований к переходным и динамически установившимся процессам регулирования в форме интегрального критерия оптимальности САР.

На этапах разработки САУ, в качестве одного из главных критериев, характеризующих целесообразность её создания и эффективность её применения, является оценка качества выполнения поставленной перед САУ задачи, в частности, для задач регулирования, поддержание параметров технологического процесса на заданных значениях (в заданных диапазонах изменения). На практике, в качестве показателя качества САР, наиболее часто используют интегральный критерии при чем, чем меньше будет отклонение текущего значения регулируемой переменной от заданного, тем показатель качества будет лучше.

Существует несколько интегральных критериев.

Существует три вида переходных процессов, которые соответствуют следующим критериям:

1. Апериодический переходный процесс (ПП) соответствует линейному критерию оптимальности;

2. Колебательный ПП с = 20% соответствует модульному критерию оптимальности;

3. Колебательный ПП с = 40% соответствует квадратичному критерию оптимальности.

C целью обеспечения малого времени переходного процесса и воизбежание излишней колебательности выбираем интегральный модульный критерий:



Выбор, обоснование и представление в виде обобщённой структурной схемы принципа построения системы автоматического регулирования.

Классификацию САУ по принципам их построения можно произвести в зависимости от вида информации, используемой управляющим устройством (УУ). В общем случае УУ использует 2 вида информации: и . В частных случаях используются не все виды информации, а только некоторые из приведенных. Рассмотрим эти частные случаи, а, следовательно, и принципы построения САУ:

1) Принцип разомкнутого жесткого управления (программного) Используется информация только о (вектор цели управления).

Данный принцип применяется в тех случаях, когда свойства объекта достаточно хорошо известны. Достоинством является максимальная простота системы. Недостатком является низкая и неконтролируемая степень соответствия между и .

1) Принцип разомкнутого управления (по возмущениям)

УУ использует информацию об и , применим в тех случаях, когда влиянием f_н на ОУ можно пренебречь, когда размерность относительно небольшая, свойства ОУ по каналам - и - достаточно хорошо известны.

Достоинство данного принципа: такая система даёт возможность полностью скомпенсировать влияние на у, т.е. сделать у инвариантным относительно .

Недостатки данного принципа: аналогичны первому. Для повышения точности соответствия для требуется увеличение размерности , уточнять свойства по каналам управления и контролируемых возмущений, что приведёт к усложнению и удорожанию, как самой системы, так этапа её разработки.

Оба из рассмотренных принципов построения систем, относятся к принципам разомкнутого управления, т.к. они не используют информацию о текущем состоянии объекта.

3) Принцип замкнутого управления по состоянию ОУ (управление с обратной связью (для САР - управление по отклонению))

Используется информация и о , и о . Применим в том случае, когда допустимы достаточно большие динамические

изменения (колебания) y от .

Достоинства данного принципа: можно обеспечить высокую точность и

Свойства объекта необходимо знать только по каналу у - u, и также не требуется высокой точности.

Недостатки данного принципа: введение обратной связи приводит в собственной составляющей к движению в замкнутом контуре. Наличие обратной связи провоцирует появление неустойчивости САУ, т.е. её неработоспособности.

4) комбинированный принцип управления - целесообразно использовать, когда необходимо получать высокие статистические и мало динамические отклонения САУ.

Достоинства данного принципа: сочетание разомкнутого и замкнутого принципов управления.

Недостатки данного принципа: высокая стоимость и сложность разработки.

Исходя из рассмотренных выше принципов построения САУ выберем принцип замкнутого управления, т.к. он содержит информацию о текущем состоянии объекта.

Составим обобщенную структурную схему построения САР:



Рис. 14 - Принцип замкнутого управления по состоянию ОУ



5. Синтез и анализ системы автоматического регулирования простейшей структуры

5.1 Конкретизация структуры САР и алгоритмов регулирования.

Разработка на основе выбранного в п. 4.2.3. общего принципа построения САР, ее простейшей конкретной структуры

В п. 4.2.3 из нескольких альтернатив общего принципа построения САР нами был выбран принцип замкнутого управления. Исходя из полученной в результате исследований в предыдущих разделах полной модели объекта управления, и добавив для каждого канала управления регулятор, получим систему автоматического регулирования.

Рис. 15 - Структура САР

Выбор нескольких альтернативных вариантов типовых алгоритмов регулирования, запись их уравнений и передаточных функций.

Существует 5 вариантов типовых алгоритмов регулирования:

1. Пропорциональный алгоритм регулирования (П-регулятор);

2. Интегральный алгоритм регулирования (И-регулятор);

3. Пропорционально-интегральный алгоритм регулирования (ПИ-регулято);

4. Пропорционально-дифференцирующий алгоритм регулирования (ПД-регулятор);

5. Пропорционально-интегральный-дифференцирующий алгоритм регулирования (ПИД-регулятор).

Наиболее целесообразным является рассмотрение и сравнительный анализ ПИ и ПИД - алгоритмов регулирования, так как из предыдущих исследований, синтеза САР известно, что наиболее эффективными являются именно эти алгоритмы регулирования.

Запишем уравнения и передаточные функции ПИ и ПИД - законов регулирования:

1. ПИ-регулятор:

Уравнение:

Передаточная функция:

2. ПИД-регулятор:

Уравнение:

Передаточная функция (реального):

Передаточная функция (идеального):

Разработка структурной схемы и программы цифрового имитационного моделирования САР при детерминированных и стохастических входных воздействиях.



Рис. 16 - Структурная схема моделирования САР

5.2 Параметрический синтез САР с различными вариантами типовых алгоритмов регулирования и их сравнительный анализ для детерминированных входных воздействий

Выбор начальных приближений настроечных параметров алгоритмов регулирования на основе инженерных методик параметрического (неоптимального) синтеза.

Под инженерными методиками параметрического синтеза САР понимают методики расчета настроечных параметров регуляторов по заданным свойствам объекта регулирования и по сформулированным требованиям к качеству переходных процессов, точнее к переходным характеристикам. Инженерные методики несут в себе компромисс между простотой и удобством их использования с одной стороны и качеством настройки регулятора с другой.

Расчет параметров регулятора по инженерным методикам предполагает, что при расчете будут использоваться параметры объекта первого порядка с запаздыванием, возмущение при этом считается приведенным к каналу регулирования и является ступенчатым. Для этого мы приведем значения параметров объекта из расчётно-графического задания по дисциплине «ИиМОА, полученные при идентификации модели нашего объекта, как объекта первого порядка с запаздыванием.

Параметры обьекта по каналу U - Р

; ;

Воспользуемся методикой расчёта настроечных параметров регулятора Копеловича А.П. Выбираем колебательный переходный процесс с R_п = 20%, настроечные параметры:

ПИ-регулятора:

Коэффициент передачи:

Время изодрома:

ПИД-регулятора:

Коэффициент передачи:

Время изодрома:

Время предварения:

Параметрический оптимальный синтез САР с альтернативными алгоритмами регулирования для детерминированных (ступенчатых) входных воздействий.

Рис. 17 - Схема параметрического оптимального синтеза САР с ПИ-регулятором



Рис. 18 - Параметрическая оптимизация ПИ - регулятора

Рис. 19 - Схема параметрического оптимального синтеза САР с ПИД-регулятором



Рис. 20 - Параметрическая оптимизация ПИД - регулятора

Сравнительный анализ переходных процессов в параметрически оптимальных системах по значению критерия оптимальности и показателям, для которых установлены предельно-допустимые значения.

Рис. 21 - Схема сравнения переходных характеристик САР с ПИ - регулятором и САР с ПИД - регулятором



Р, Па

t, c

Рис. 22 - Результат сравнения переходных характеристик САР

Сведём интегральные и прямые показатели качества в табл. 4:

Таблица 4. Прямые и интегральные показатели качества

Регулятор	ymax	I	tрег, сек.
ПИ	0.024	0.28	5
ПИД	0.031	0.23	4

Проанализировав полученные результаты, можем сделать вывод, что САР с ПИД - регуляторами более работоспособна, чем САР с ПИ-регуляторами, так как она обладает более лучшими показателями качества.

5.3 Анализ грубости САР к вариациям параметров ОУ

Выбор параметров ОУ, по который целесообразно оценить грубость САР значений их вариаций и планирование машинного эксперимента по оценке грубости.

Система называется грубой в том случае, если при малых вариациях её параметров свойства системы, в частности, показатели качества, также изменяются мало. Для практики промышленных систем управления грубость системы фактически означает её работоспособность.

Зная физические свойства объекта, можем предположить, что свойства ОУ не изменяются в больших диапазонах, поэтому целесообразно проверять грубость системы при вариации параметров объекта ±20%. Варьируемыми параметрами будут коэффициент передачи и время запаздывания ОУ. Активный эксперимент по оценке грубости будем проводить на ЭВМ при помощи блока оптимального параметрического синтеза САР и анализа её грубости.

Сравнительный анализ переходных процессов по критерию оптимальности и показателям, для которых установлены предельно-допустимые значения.

Результат проверки системы на грубость.

Рис. 23 - Результаты проверки на грубость САР с ПИ - алгоритмом управления



Представим «благоприятные» и «неблагоприятные» значения ОУ и критерия оптимальности для САР простейшей структуры ПИ-регулятором в таб. 5.

Таблица 5

	Значения ОУ и критерия оптимальности
	«благоприятные»	«неблагоприятные»
ko	0,008	0,012
о	0.56	0.84
T	0.496	0.744
J	0.18	0.4

Аналогичную проверку проводим для САР с ПИД-регулятором

Рис. 24 - Результаты проверки на грубость САР с ПИД - алгоритмом управления

Представим «благоприятные» и «неблагоприятные» значения ОУ и критерия оптимальности для САР простейшей структуры с ПИД-регулятором в таб. 6.

Таблица 6

	Значения ОУ и критерия оптимальности
	«благоприятные»	«неблагоприятные»
ko	0,008	0,012
о	0.7	0.84
T	0.496	0.496
J	0.17	0.47

Исходя из результатов проверки системы на грубость, можно сделать вывод о работоспособности рассматриваемой системы автоматического регулирования. Система с ПИД-регулятором обладает более лучшими показателями.



6. Синтез и анализ системы автоматического регулирования повышенной динамической точности

6.1 Структурный синтез САР повышенной динамической точности

Анализ особенностей объекта регулирования, снижающих динамическую точность и выбор способов ее повышения за счет введения в структуру САР дополнительных связей.

На динамическую точность системы может влиять множество факторов, например:

ь контролируемые возмущения;

ь неконтролируемые возмущения;

ь большое запаздывание в объекте;

ь сильное взаимовоздействие между каналами посредством перекрёстных связей.

Для устранения вышеприведенных неблагоприятных факторов создаются системы повышенной динамической точности, соответственно:

a) САР, инвариантная к контролируемым возмущениям;

b) САР с косвенным измерением возмущений;

c) САР с компенсацией запаздывания в контуре регулирования;

d) САР, обеспечивающая автономность относительно собственных движений;

e) Каскадные САР.

Разработка на основе выбранных способов повышения динамической точности САР, её структурной схемы и формулирование (в аналитической форме) условий, обеспечивающих необходимые свойства САР.

Для повышения динамической точности системы будем использовать САР с компенсацией запаздывания в контуре регулирования.

Рассмотрим структурную схему:

Рис. 24 - Структурная схема САР

Вывод передаточных функций корректирующей связей, анализ их структуры из условий физической реализуемости, приведение к физически реализуемому виду, представление в форме соединения типовых динамических звеньев и получение переходных характеристик.

Запаздывание не будет влиять на собственное движение САР в том случае, если его передаточная функция не входит в собственный оператор системы Q^с(p).

Запишем передаточные функции «обычной» и рассматриваемой (с корректирующей связью) САР:

;

= = ;

Выпишем их собственные операторы, представив (р) в виде произведения двух передаточных функций: передаточной функция объекта, из которой и исключено запаздывание (р) и передаточной функции запаздывания

, т.е. = .

Итак, Q^co(p) = ;

Q^ск(p) = 1 + W^p(p) W^к(p) + W^p(p).

Для обеспечения независимости собственного движения САР от запаздывания объекта, необходимо, чтобы это запаздывание не входило всобственный оператор системы. Для этого требуется, чтобы собственный оператор системы с корректирующей связью имел бы точно такой же вид, как и собственный оператор идеализированной системы без корректирующей связи и без запаздывания.

То есть:

;

откуда .

Очевидно, что в корректирующей связи могут быть использованы передаточные функции только модели объекта. Чтобы подчеркнуть это, перепишем:

;

где модель запаздывания объекта;

передаточная функция модели объекта без запаздывания.



6.2 Упрощение корректирующих связей с учетом особенностей их технической реализации и параметрический синтез САР при детерминированных входных воздействиях

Выбор начальных приближений параметров упрощённых корректирующих связей из условия близости переходных характеристик корректирующих связей до и после их упрощения (возможно применение любых методик - как оптимизационных, так и обычных).

В тех случаях, когда реализация звеньев чистого запаздывания затруднена, возможна упрощенная реализация W^к(p).

В качестве упрощенныхW^к(p) можно использовать:

;

Выбор начальных приближений параметров упрощенных корректирующих связей из условий близости переходных характеристик корректирующих связей до и после их упрощения (возможно применение любых методов как оптимизационных, так и обычных)

В виде начальных приближений для оптимизируемых параметров КС можно задавать .

Параметры объекта Т и используем 1-го порядка

Разработка структурной схемы и программы цифрового имитационного моделирования и параметрический оптимальный синтез САР повышенной динамической точности для детерминированных (ступенчатых) входных воздействий.



6.3 Анализ грубости САР повышенной динамической точности к вариации параметров объекта регулирования

Выбор параметров объекта управления, по которым целесообразно оценить грубость САР, значения их вариаций и планирование активного эксперимента по оценке грубости.

Система является грубой, если при малых вариациях параметров ОУ показатели качества САР также изменяются мало.

На практике грубая система автоматического регулирования - это работоспособная система.

Зная физические свойства ОУ, можно сделать вывод о том, что в реальных условиях вариация его параметров будет не большой, поэтому оценку грубости САР будем проводить с вариацией параметров ±20%.

Активный эксперимент по оценке грубости будет осуществлён с помощью ЭВМ, а конкретно с помощью специальных программных средств, предназначенных для имитационного моделирования САР с вариацией параметров объекта управления.

Исходя из результатов проверки системы на грубость, можно сделать вывод о робастности рассматриваемой системы автоматического регулирования повышенной динамической точности.

Таблица 7

	Значения ОУ и критерия оптимальности
	«благоприятные»	«неблагоприятные»
ko	0.012	0.008
о	0.56	0.84
T	0.74	0.744
J	0.06	0.49



Список литературы

1. Конспект курса лекций по дисциплине «Теория автоматического управления» (часть I) - Хобин В.А. ОГАПТ. Одесса - 2008 г.

2. Конспект курса лекций по дисциплине «Теория автоматического управления» (часть II) - Хобин В.А. ОГАПТ. Одесса - 2008 г.

3. Методические указания к выполнению и оформлению курсовой работы по дисциплине «Теория автоматического управления» для студентов специальностей 7.092501 дневной и заочной форм обучения / Сост. В.А. Хобин, - Одесса: ОГАПТ, 2000 г.

Размещено на Allbest.ru